电容层析成像技术在冻土物质分布及其动态变化测试中的应用研究

摘要

@冻土的冻胀、融沉直接危害各种冻土工程的安全，为了防止灾难性后果的发生，国内、外学者对冻土的冻胀机理及冻害的防治措施进行了大量研究。鉴于目前冻胀理论的不完善，对冻土冻胀规律的研究主要依赖于实验手段。利用电容层析成像技术对冻土物质分布及其动态变化进行测试研究，不但深化了对冻土冻胀机理的认识，而且推动了电容层析成像技术在多孔多相介质领域的应用研究，具有重要的理论意义及实用价值。
　　 设计并制作了一种新型的非闭合电极电容层析成像传感器，以满足冻土电容层析成像测试的要求。对该种传感器的静态特性进行了理论分析。建立了该种传感器的数学模型，并对其电场进行了有限元求解，藉此分析了10、12及16电极非闭合电极电容层析成像传感器各极板对之间的电容分布特性，确定出了适合冻士测试件的传感器最优电极数目；计算出了该种传感器的敏感场，并对其“软场”特性进行了分析。
　　 提出了一种电容层析成像传感器结构参数优化设计方法。该方法采用均匀设计，并结合非线性偏最小二乘回归提取传感器结构参数与待优化目标间的函数关系，由此建立相应的优化目标泛函，利用微粒群优化算法对该优化目标泛函进行求解，以获得最优的传感器结构参数。采用该优化方法对10电极非闭合电极电容层析成像传感器参数进行了优化设计，根据优化结果设计制作了传感器，对其成像进行了仿真与实测，结果表明，参数优化后的传感器图像重建质量优于未经优化的传感器。该优化设计方法缩短了传感器优化设计周期，提高了最优解的求解精度。
　　 提出了一种新的有效ECT图像重建算法—IMNSNOF图像重建算法。该算法针对ECT逆问题的特点对极小范数解进行改进，在此基础之上建立新的目标泛函，并在求解该泛函的过程中采用正则技巧对其进行改进，以提高数值解的稳定性。针对非闭合电极传感器的电容层析成像系统图像重建进行了仿真及实测，结果表明，对于所给出的各流型，IMNSNOF算法仿真及实测的图像重建质量均高于LBP算法、标准Tikhonov正则法及投影Landweber迭代法。
　　 搭建了冻土冻结实验系统，实现了冻土测试件一维冻结。对土样的冻结过程物质分布及其动态变化进行了电容层析成像测试。就测试结果实现了图像重建，图像中土样未冻区与已冻区各像素点的灰度值不同，其中已冻区灰度值低于未冻区灰度值，从而由重建图像可以获得冻土已冻区、未冻区及二者分界面位置。进行了电容层析成像测试结果与冻土冻结过程中的温度分布对比分析，验证了电容层析成像系统冻土测试结果的正确性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

声明

第一章 绪论

1.1课题背景、研究目的及意义

1.2国内外研究状况

1.2.1冻土测试

1.2.2电容层析成像技术

1.3本文的主要研究内容

第二章 新型传感分析方法

2.1电容传感器

2.1.1电容传感器的特点及分类

2.1.2工作原理

2.2传统ECT传感器

2.3非闭合电极ECT传感器

2.3.1冻土测试件结构及尺寸

2.3.2非闭合电极ECT传感器结构设汁

2.3.3非闭合电极ECT传感器的特性分析

2.3.4非闭合电极ECT传感器的数学模型

2.3.5非闭合电极ECT传感器电场有限元求解

2.4不同电极数目传感器极板对之间电容分布特性

2.5非闭合电极ECT传感器敏感场计算

2.5.1敏感场的定义及确定方法

2.5.2非闭合电极ECT传感器敏感场确定

2.6本章小结

第三章 非闭合电极ECT传感器参数优化设计

3.1 ECT传感器参数优化设计方法

3.2非闭合电极ECT传感器参数优化设计

3.2.1非闭合电极ECT传感器待优化参数

3.2.2优化目标函数的建立

3.2.3非闭合电极ECT传感器的均匀设计

3.2.4试验结果NPLS回归建模

3.2.5非闭合电极ECT传感器最优参数求解

3.3非闭合电极ECT传感器参数优化结果评价

3.4本章小结

第四章 冻土测试的ECT图像重建算法

4.1 ECT图像重建算法

4.1.1 ECT图像重建算法分类

4.1.2常用ECT图像重建算法

4.2 IMNSNOF图像重建算法

4.2.1极小范数解的推导

4.2.2极小范数解的改进

4.2.3基于新目标泛函的改进极小范数解

4.3 IMNSNOF算法图像重建比较

4.3.1仿真比较

4.3.2实测比较

4.4IMNSNOF算法在传统ECT中的图像重建比较

4.5本章小结

第五章 冻土冻结过程的ECT测试研究

5.1冻土的基本物理性质

5.1.1冻土的物质组成及其相互关系

5.1.2土的持水性

5.1.3冰、水的相对介电常数

5.2冻土测试系统

5.2.1冻土冻结实验系统

5.2.2 ECT测试系统及温度采集系统

5.2.3冻土起始冻结温度测试方法

5.3冻土ECT测试过程

5.3.1土样制备

5.3.2 ECT测试过程：

5.4冻土测试结果及分析

5.4.1冻结实验系统运行性能测试结果

5.4.2起始冻结温度的测定结果

5.4.3冻土ECT测试结果及分析

5.5本章小结

第六章 结论及展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

博士研究生在读期间参加的科研课题

博士研究生在读期间发表的论文

致 谢